二氧化碳热泵热水器性能测试

汤辉

【摘 要】二氧化碳具备良好环境性能，并且在跨临界循环运行过程中具备独特热力学的优势，为空调、制冷、热泵行业主要研究内容。本文创建二氧化碳热泵热水器测试系统，对二氧化碳热泵热水器运行性能进行测试。

【关键词】二氧化碳；热泵；热水器；性能

因为氟利昂制冷剂被禁用，工质替代成为人们重视的问题。人们开始重视二氧化碳，因为对环境保护进行考虑，二氧化碳制冷剂被再次使用。二氧化碳没有味道、颜色和毒性，不可燃卡，消耗臭氧潜能值ODP为0，为空气中常见化合物。因为以上原因，压缩效率较高，二氧化碳热泵系统的效率也比较高。二氧化碳热泵为利用二氧化碳的全新热泵，在热泵系统及装置不断改进的过程中，系统经济性也有所提高。

一、实验装置

项目创建二氧化碳跨临界热水器试验台流程。此系统部件包括意大利生产开临界CD1500H型号半封闭活塞式压缩机；自行设计套管式双壁同轴气冷器；瑞典生产板式蒸发器。气冷器内管走水，外夹层走二氧化碳，避免结垢。使用JKV-24D型号电子膨胀阀作为节流装置，在系统运行过程中，板式蒸发器热源侧进出口水温、气冷器都是通过公司创建标准实验室保持恒定[1]。

二、实验结果和分析

（一）气冷器水流量对系统性能的影响

对二氧化碳热泵热水器性能造成影响的因素比较多，二氧化碳在超临界状态中不会出现冷凝的情况，流体冷却过程中的温度跨度比较大。图1为气冷器出水温度和水流量关系，通过图1可以看出来，在气冷器水流量不断增加的过程中，出水温度在不断的降低。此主要是因为气冷器水流量不断的提高，加强了换热，所以出水温度在不断的降低。在实验过程中，气冷器及蒸发器的进水温度为30.4℃。蒸发器水流速为25.2L/h，气冷器水流量不断增加[2]。

图1 气冷器出水温度和水流量关系

气冷器二氧化碳出口温度在气冷器水流量不断增加的过程中降低，逐渐趋于冷却水进口温度，此主要是因为冷却水流量在不断的增加，换热增强。另外，压缩机吸气温度在气冷器水流量增加过程中降低，在气冷器水流量为16.8L/h的时候，压缩机吸气温度为36℃；在气冷器水流量为52.1L/h的时候，吸气温度降低到32℃；使水流量增加到128.7L/h的时候，吸气温度减低到31.53℃。压缩机排气压力也是在气冷器水流量增加的过程中降低，在气冷器水流量达到16.8L/h的时候，排气压力为13.43MPa。在将水流量提高到最后128.7L/h的时候，排气压力为12.26MPa。以此表示，提高气冷器水流量能够降低气冷器出口温度和压缩机排气压力，并且提高系统COP值[3]。

（二）电子膨胀阀（EEV）的影响

在蒸发器和气冷器的进水温度都为15℃的时候，电子膨胀阀开度对于系统性能影响为：在55℃及65℃出水工况中，电子膨胀阀开度的持续增加，系统制热量、COP和制冷量的值都会持续增加，之后减小，峰值在开度200和180以下，这个时候系统COP分别为4.8和4.3。基于75℃出水工况中，并且机组允许运行，也就是电子膨胀阀开度从150提高到480过程中，系统制冷量、COP和制热量的值都在开度不断增加的过程中减小，为了避免降低润滑油的性能，导致压缩机损伤，在實验过程中设置电子膨胀阀开度的最小值为150。基于此，系统CDP为最大值4.0。使用不同侧出水温度，电子膨胀阀开度对于系统制冷量、制热量及COP都具有相似影响[4]。

（三）蒸发器热源口的影响

通过分析研究结果表示，蒸发器热源口入口温度对系统影响为：基于相同制冷剂充注量背景下，系统制热系数在热源口入口温度不断提高的过程中增加，而且系统最大制热系数也在热源水入口温度提高过程中增加。在热源口入口温度从10℃提高到20℃的时候，最大制热系数提高26%。一般，在热源水入口温度不断提高的过程中，也会增加最佳制冷剂充注量[5]。压缩机吸气和排气压力、压缩比、排气温度在热源水入口温度变化过程中的改变存在一定的关系，压缩机吸气压力在热源水入口温度不断提高的过程中提高，排气压力受到热源水入口温度影响比较小。通过研究表示，排气温度变化趋势和压缩比变化趋势相同，也就是排气温度和压缩比在热源水入口温度提高过程中降低。在制冷剂充注量不断增加的过程中，其在制冷剂充注量在充注量前上升比较缓慢，超过最佳充注量以以后快速生成。在最优的充注量中，热源水入口温度提高了10℃，压缩比降低16.7%、排气温度降低12.6℃[6]。

三、结束语

为了对二氧化碳热泵系统性能特点进行研究，创建项目试验，并且基于压缩机与制冷量入口的过热度一定基础上实现性能试验。通过实验结果表示：

（1）假如二氧化碳热泵系统设计合理，那么二氧化碳热泵COP值基本和常规工质热泵系统较为接近。其次，二氧化碳热泵热水器可供给热水温度范围比较大，系统最高能够将水加热到90℃。

（2）电子膨胀阀在开度调节的过程中具有最佳开度，在此开度中，系统COP、制冷量和制热量都达到最大值；

（3）在制冷剂充注量不断增加的过程中，压缩机排气压力和温度不断提高，压缩机吸气压力不发生变化，但是气体冷却器出口制冷剂温度降低。具有使系统制热系数最大的最佳制冷剂充注量，压缩机入口过热度不断提高使压缩机排气温度不断提高，但是对于直热系数并没有太大的影响。

【参考文献】

[1]漆鹏程， 何雅玲， 孟祥兆，等. 二氧化碳热泵热水器性能实验研究与气体冷却器的数值模拟[C]// 勇于创新，服务发展——2013中国制冷学会学术年会. 2013.

[2]罗会龙， 林辩启， 杜培俭，等. 大功率二氧化碳热泵热水系统运行性能[J]. 化工学报， 2015， 66（6）：2274-2279.

[3]刘业凤， 朱洪亮， 张峰，等. CO2热泵热水器充注量确定及系统实验研究[J]. 上海理工大学学报， 2015，12（1）：49-56.

[4]刘业凤， 卓之阳， 张峰，等. CO_2热泵热水器的系统设计及试验研究[J]. 流体机械， 2013，15（10）：60-64.

[5]杨德宇， 俞建荣， 蒋小明，等. 二氧化碳热泵热水器技术与性能的对比分析[J]. 北京石油化工学院学报， 2013， 21（2）：50-55.

[6]王柯， 刘颖， 张雷，等. R417a替代R22工质的静态加热式热泵热水器性能试验研究[J]. 流体机械， 2013， 41（5）：60-65.